電工電子學(xué)綜述論文施俊杰

1、合肥學(xué)院 化學(xué)材料與工程系合 肥 學(xué) 院化學(xué)材料與工程系電工電子學(xué)綜述論文12級化工3班 施俊杰電工電子概述作為非電類專業(yè)的我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)電工電子,說實(shí)話,對于這我一直很納悶,知道我那天上網(wǎng)百度了一下電工電子才知道了它的重要性。電工電子這門學(xué)科在國內(nèi)具有很高的學(xué)術(shù)地位和廣泛的影響。九五期間，該學(xué)科始終關(guān)注國際上電工理論與新技術(shù)研究領(lǐng)域的前沿，并結(jié)合我國電力工業(yè)實(shí)際和發(fā)展需要，在電力系統(tǒng)電磁兼容、電磁場理論及其應(yīng)用、電網(wǎng)絡(luò)理論分析與電力信息分析、現(xiàn)代電磁測量、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)基礎(chǔ)等研究領(lǐng)域開展了卓有成效的研究，并取得了一批高水平的科研成果。除此之外，它還與我們的生活息息相關(guān)，它應(yīng)用

2、于我們周遭大部分的工具，各種電路，各種網(wǎng)絡(luò)等等。而我們接觸的這本是一個(gè)與現(xiàn)行教材有較大差別的電工電子，它是一種探索，抑或是一種創(chuàng)新，它將電路和電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)、電子技術(shù)和測量、控制等內(nèi)容作適當(dāng)?shù)慕徊婧徒Y(jié)合。全書還包括電路和電路元件、電路分析基礎(chǔ)、分立元件基本電路、數(shù)字集成電路、集成運(yùn)算放大器、波形產(chǎn)生和變換、測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功率電子電路、變壓器和電動機(jī)、電子控制技術(shù)等內(nèi)容，在我看來，這樣的內(nèi)容體系有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）電路和電子技術(shù)適當(dāng)結(jié)合。在第一章電路元件中就介紹二級管、晶體管及它們的模型，于是在第二章中就可對含有這些元件的電路進(jìn)行分析，為后面學(xué)習(xí)電子技術(shù)打好較好的基礎(chǔ)。

3、(2)適當(dāng)加強(qiáng)數(shù)字電子技術(shù)，將模擬和數(shù)字電子技術(shù)的內(nèi)容適當(dāng)交叉。在第三章分立元件基本電路中既介紹基本放大電路，又介紹基本門電路。接著在第四章就講數(shù)字集成電路，并增加了可編程邏輯器件和半導(dǎo)體存貯器等內(nèi)容。在第六、七章中，則同時(shí)含有模擬和數(shù)字電子技術(shù)的內(nèi)容。(3)加強(qiáng)知識的綜合和應(yīng)用系統(tǒng)的介紹。比如將測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)專門列為一章，從系統(tǒng)的基本組成出發(fā)，介紹了傳感器、有源波、測量放大、模擬開關(guān)、取樣保持、模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換等單元電器，最后給出非電量測量系統(tǒng)的實(shí)例。（4）適當(dāng)反映近代電力電子技術(shù)的發(fā)展。增加了絕緣門極雙極型晶體管、無源逆交、交流調(diào)壓及變頻、直流調(diào)壓等內(nèi)容，并將低頻功率放大、直流穩(wěn)壓電

4、源、半導(dǎo)體變流電路等內(nèi)容安排為功率電子電路一章（5）增加了電子控制方面的內(nèi)容。在電氣控制技術(shù)一章中增加了固態(tài)繼電器、可編程序控制器、異步電動機(jī)的軟啟動及變頻調(diào)速等，并將變壓器，電動機(jī)及電子控制安排在電子技術(shù)之后，以便于對這些內(nèi)容的介紹。接下來我們就深入看一下我們電工電子里面的學(xué)習(xí)內(nèi)容：一、電工電子基本理論電工基礎(chǔ)理論：一、直流電路1電路的定義:就是電流通過的途徑電路的組成:電路由電源、負(fù)載、導(dǎo)線、開關(guān)組成內(nèi)電路:負(fù)載、導(dǎo)線、開關(guān)外電路:電源內(nèi)部的一段電路2負(fù)載:所有電器3電源:能將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備4基本物理量：電流，電壓、電動勢，電阻5部分電路歐姆定律:電路中通過電阻的電流，與電

5、阻兩端所加的電壓成正比,與電阻成反比,稱為部分歐姆定律.計(jì)算公式為U=IR全電路歐姆定律:在閉合電路中(包括電源),電路中的電流與電源的電動勢成正比,與電路中負(fù)載電阻及電源內(nèi)阻之和成反比,稱全電路歐姆定律。6電路的連接：串連、并連、混連7電功電流所作的功叫做電功,用符號“A”表示.電功的大小與電路中的電流、電壓及通電時(shí)間成正比,計(jì)算公式為A=UIT=I2RT電功及電能量的單位名稱是焦耳,用符號“J”表示;也稱千瓦/時(shí),用符號“KWH”表示.1KWH=3.6MJ電功率電流在單位時(shí)間內(nèi)所作的功叫電功率,用符號“P”表示.電功單位名稱為“瓦”或“千瓦”,用符號“W”或“KW”表示;也可稱“馬力.1馬

6、力=736W1KW=1.36馬力8電流的熱效應(yīng)、短路電流的熱效應(yīng)定義:電流通過導(dǎo)體時(shí),由于自由電子的碰撞,電能不斷的轉(zhuǎn)變熱能.這種電流通過導(dǎo)體時(shí)會發(fā)生熱的現(xiàn)象,稱為電流的熱效應(yīng)短路定義:電源通向負(fù)載的兩根導(dǎo)線,不以過負(fù)載而相互直接接通.該現(xiàn)象稱之為短路.短路分析:電阻(R)變小,電流(I)加大,用公式表示為短路的危害:溫度升高,燒毀設(shè)備,發(fā)生火災(zāi);產(chǎn)生很大的動力,燒毀電源,電網(wǎng)破裂.保護(hù)措施:安裝自動開關(guān);安裝熔斷器.二、交流電路1、單相交流電路定義:所謂交流電即指其電動勢、電壓及電流的大小和方向都隨時(shí)間按一定規(guī)律作周期性的變化,又叫正磁交流電.單相交流電的產(chǎn)生:線圈在磁場中運(yùn)動旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向

7、切割磁力線,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.單相交流發(fā)電機(jī):只有一個(gè)線圈在磁場中運(yùn)動旋轉(zhuǎn),電路里只能產(chǎn)生一個(gè)交變電動勢,叫單相交流發(fā)電機(jī).由單相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電簡稱為單相交流電.2交流電與直流電的比較:輸送方便、使用安全，價(jià)格便宜。3交流電的基本物理量:瞬時(shí)值與最大值，周期、頻率和角頻率，相位、初相位、相位差純電阻電路：負(fù)載的電路，其電感和電容略去不計(jì)稱為純電阻電路。純電感電路：由電感組成的電路稱為純電感電路。純電容電路：將電容器接在交流電源上組成的電路并略去電路中的一切電阻和電感這種電路稱為純電容電路。4、三相交流電路、三相交流電的定義：在磁場里有三個(gè)互成角度的線圈同時(shí)轉(zhuǎn)動，電路里就產(chǎn)生三個(gè)交變電動勢這樣

8、的發(fā)電機(jī)叫三相交流發(fā)電機(jī)，發(fā)出的電叫三相交流電每一單相稱為一相三相交流電的特點(diǎn)轉(zhuǎn)速相同，電動勢相同；線圈形狀、匝數(shù)均相同，電動勢的最大值（有效值）相等；三個(gè)電動勢之間互存相位差；eA、eB、eC為三相對稱電動勢計(jì)算公式為:eA=EmSinnteB=EmSin(wt-1200)eC=EmSin(wt-2400)電源的連接(在實(shí)際連接中) ：星形連接Y相電壓：每個(gè)線圈兩端的電壓相電壓為220V 線電壓：兩條相線之間的電壓線電壓為380V 相電流：流過每一相線圈的電流用I相表示三角形連接三相電路的功率計(jì)算:單相有功功率：P=IU(純電阻電路)功率因數(shù)：衡量電器設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)用Cos表示.對于

9、純電阻電路，Cos=1對于非純電阻電路，Cos1單相有功功率的計(jì)算公式為(將公式一般化)P=IUCos三相有功功率：不論“Y”或接法,總的功率等于各相功率之和三相總功率計(jì)算公式為；P=IAUACos+IBUBCos+ICUCCos=3。前兩章我們學(xué)習(xí)了電工電子的基本內(nèi)容，而接下來我們接觸的將是具體的各個(gè)部件和操作了，像分立元件和數(shù)字集成電路，在這幾章里我們將學(xué)習(xí)各種特殊的電路。分立元件在我們生活中被廣泛運(yùn)用，主要用到消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信，汽車電子、led顯示屏等領(lǐng)域。 它的器件也包括半導(dǎo)體二極管：鍺二極管、硅二極管、化合物二極管等；半導(dǎo)體三極管：鍺三極管、硅三極管、化合物三極管等；

10、特種器件及傳感器；敏感器件：壓力敏感器件、磁敏器件（含霍爾器件及霍爾電路）、氣敏器件、濕敏器件、離子敏感器件、聲敏感器件、射線敏感器件、生物敏感器件、靜電感器件等；裝好的壓電晶體類似半導(dǎo)體器件；半導(dǎo)體器件專用零件。 數(shù)字集成電路則是將元器件和連線集成于同一半導(dǎo)體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路中包含的門電路或元、器件數(shù)量，可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成（SSI）電路、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成（LSI）電路、超大規(guī)模集成VLSI電路和特大規(guī)模集成（ULSI）電路。小規(guī)模集成電路包含的門電路在10個(gè)以內(nèi)，或元器件數(shù)不超過10個(gè)；中規(guī)模集成電路包含的門電路在10100個(gè)之間

11、，或元器件數(shù)在1001000個(gè)之間；大規(guī)模集成電路包含的門電路在100個(gè)以上，或元器件數(shù)在1，00010, 000個(gè)之間；超大規(guī)模集成電路包含的門電路在1萬個(gè)以上，或元器件數(shù)在100，0001，000，000之間；特大規(guī)模集成電路的門電路在10萬個(gè)以上，或元器件數(shù)在1，000，00010，000，000之間。2型號組成數(shù)字集成電路的型號組成一般由前綴、編號、后綴三大部分組成，前綴代表制造廠商，編號包括產(chǎn)品系列號、器件系列號，后綴一般表示溫度等級、封裝形式等。如表01所示為TTL 74系列數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義。3類別說明數(shù)字集成電路產(chǎn)品的種類很多，若按電路結(jié)構(gòu)來分，可分成TTL和M

12、OS 兩大系列。TTL 數(shù)字集成電路是利用電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的，所以又叫做雙極性電路。MOS 數(shù)字集成電路是只用一種載流子導(dǎo)電的電路，其中用電子導(dǎo)電的稱為NMOS 電路;用空穴導(dǎo)電的稱為PMOS 電路:如果是用NMOS 及PMOS 復(fù)合起來組成的電路，則稱為CMOS 電路。CMOS 數(shù)字集成電路與TTL 數(shù)字集成電路相比，有許多優(yōu)點(diǎn)，如工作電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，輸入阻抗高，成本低，等等。因而， CMOS 數(shù)字集成電路得到了廣泛的應(yīng)用。國家標(biāo)準(zhǔn)型號的規(guī)定，是完全參照世界上通行的型號制定的。國家標(biāo)準(zhǔn)型號中的第一個(gè)字母C 代表中國;第二個(gè)字母T 代表TTL ， C 代表CM

13、OS。CT 就是中國的TTL數(shù)字集成電路， CC 就是中國的CMOS 數(shù)字集成電路。其后的部分與國際通用型號完全一致。14一般特性TTL電路（1）電源電壓范圍TTL電路的工作電源電壓范圍很窄。S，LS，F(xiàn)系列為5V5%；AS，ALS系列為5Y10%。（2）頻率特性TTL電路的工作頻率比4000系列的高。標(biāo)準(zhǔn)TTL電路的工作頻率小于35MHz；LS系列TTL電路的工作頻率小 于40MHz；ALS系列電路的工作頻率小于70MHz；S系列電路的工作頻率小于125MHz；AS系列電路的工作頻率 小于200MHz.（3）TTL電路的電壓輸出特性當(dāng)工作電壓為十5V時(shí)，輸出高電平大于2.4V，輸人高電平大于

14、2.0V；輸出低電平小于0.4V，輸人低電平 小于0.8V。（4）最小輸出驅(qū)動電流標(biāo)準(zhǔn)TTL電路為16mA；LSTTL電路為8mA；STTL電路為20mA；ALSTfL 電路為8mA；ASTTL電路為 mA。大電流輸出的TTL電路：標(biāo)準(zhǔn)TTL電路為48mA；LSTTL電路為24mA；STTL電路為64mA；ALSTTL電 路為24/48mA；ASTTL電路為48/64mA。（5）扇出能力（以帶動LS-TTL負(fù)載的個(gè)數(shù)為例）標(biāo)準(zhǔn)TTL電路為40；ISTTL電路為20；STTL電路為50；ALS-TTL電路為 20；AS-TTL電路為50。大電流 輸出的TTL電路：標(biāo)準(zhǔn)TTL電路為120；LSTT

15、L電路為60；STTL電路為160；ALSTTL電路為60/120；AS TTL電路為120/160。對于同一功能編號的各系列TTL集成電路，它們的引腳排列與邏輯功能完全相同。比如，7404，74LS04， 74A504，74F04，74ALS04等各集成電路的引腳圖與邏輯功能完全一致，但它們在電路的速度和功耗方面存 在著明顯的差別。CM0S電路（1）電源電壓范圍集成電路的工作電源電壓范圍為318V，74HC系列為26V。（2）功耗當(dāng)電源電壓VDD=5V時(shí)，CM0S電路的靜態(tài)功耗分別是：門電路類為2.55W；緩沖器和觸發(fā)器類為520W；中規(guī)模集成電路類為25100W，（3）輸人阻抗CM05電路

16、的輸入阻抗只取決于輸人端保護(hù)二極管的漏電流，因此輸人阻抗極高，可達(dá)1081011以上。所以，CM0S電路幾乎不消耗驅(qū)動電路的功率。（4）抗干擾能力因?yàn)樗鼈兊碾娫措妷涸试S范圍大，因此它們輸出高低電平擺幅也大，抗干擾能力就強(qiáng)，其噪聲容限最大值為45%VDD保證值可達(dá)30%VDD，電源電壓越高，噪聲容限值越大。（5）邏輯擺幅CM0S電路輸出的邏輯高電平“1”非常接近電源電壓VDD邏輯低電平“0”接近電源Vss，空載時(shí)，輸出高電平VOH=VCC-0.05V，輸出低電平VOL=0.05V。因此，CM0S電路電源利用系數(shù)最高。（6）扇出能力在低頻工作時(shí)，一個(gè)輸出端可驅(qū)動50個(gè)以上CM0S器件。（7）抗輻射

17、能力CMOS管是多數(shù)載流子受控導(dǎo)電器件，射線輻射對多數(shù)載流子濃度影響不大。因此，CM0S電路特別適用于航天、衛(wèi)星和核試驗(yàn)條件下工作的裝置。CM0S集成電路功耗低，內(nèi)部發(fā)熱量小，集成度可大大提高。又因?yàn)殡娐繁旧淼幕パa(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其參數(shù)有互相補(bǔ)償作用，因而其溫度穩(wěn)定性好。（8）CM0S集成電路的制造工藝CM0S集成電路的制造工藝比TTL集成電路的制造工藝簡單，而且占用硅片面積也小，特別適合于制造大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。5注意事項(xiàng)不允許在超過極限參數(shù)的條件下工作。電路在超過極限參數(shù)的條件下工 作，就可能工作不正常，且容 易引起損壞。TTL集成電路的電源電壓允許變化范圍比較窄，一般在

18、4.55.5V之間，因此必須使用+5V穩(wěn) 壓電源；CM0S集成電路的工作電源電壓范圍比較寬，有較大的選擇余地。選擇電源電壓時(shí)，除首先考慮到 要避免超過極限電源電壓外，還要注意到，電源電壓的高低會影響電路的工作頻率等性能。電源電壓低， 電路工作頻率會下降或增加傳輸延遲時(shí)間。例如CM0S觸發(fā)器，當(dāng)電源電壓由+15V下降到十3V時(shí)，其最高 工作頻率將從10MHz下降到幾十千赫。電源電壓的極性千萬不能接反，電源正負(fù)極顛倒、接錯(cuò)，會因?yàn)檫^大電流而造成器件損壞。CM0S電路要求輸人信號的幅度不能超過VDDVSS，即滿足VSS=V1=VDD。當(dāng) CM0S電路輸入端施加的電 壓過高（大于電源電壓）或過低（小于

19、0V），或者電源電壓突然變化時(shí)，電路電流可能會迅速增大，燒壞器件，這種現(xiàn)象稱為可控硅效應(yīng)。預(yù)防可控硅效應(yīng)的措施 主要有：輸入端信號幅度不能大于VDD和小于0V；消除電源上的干擾；在條件允許的情況下，盡可能降低電源電壓，如果電路工作頻率比較低，用+5V電源供電最好；對使用的電源加限流措施，使電源電流被限制在30mA以內(nèi)。對多余輸人端的處理。對于CM0S電路，多余的輸人端不能懸空，否則，靜電感應(yīng)產(chǎn)生的高壓容易引起 器件損壞，這些多余的輸人端應(yīng)該接yDD或yss，或與其他正使用的輸人端并聯(lián)。這3種處置方法，應(yīng)根據(jù) 實(shí)際情況而定。對于TTL電路，對多余的輸人端允許懸空，懸空時(shí)，該端的邏輯輸入狀態(tài)一般都作為“1”對待，雖然 懸 空相當(dāng)于高電平，并不影響與門、與非門的邏輯關(guān)系，但懸空容易受干擾，有時(shí)會造成電路誤動作。因此 ，多余輸人端要根據(jù)實(shí)際需要做適當(dāng)處理。例如，與門、與非門的多余輸人端可直接接到電源上；也可將 不同的輸人端公用一個(gè)電阻連接到電源上；或?qū)⒍嘤嗟妮斎硕瞬⒙?lián)使用。對于或門、或非門的多余輸人端 應(yīng)直接接地。多余的輸出端應(yīng)該懸空處理，決不允許直接接到VDD或VSS，否則會產(chǎn)生過大的短路電流而使器件 損壞 。不同邏輯功能的CM0S電路的輸出端也不能直接連到一起，否則導(dǎo)通的P溝